杭州东站站房为桥建合一的结构形式, 其中铁路正线桥和到发线轨道梁与上部主体站房结构共用承台和桩基, 该类桩设计称为国铁桩, 直径1.5m, 采用嵌岩端承桩, 设计要求双控, 有限桩长≥55m, 以中风化安山玢岩作为持力层, 入岩深度3m以上。桩数总计为895根, 为站房直径最大、入岩最深、施工难度最大的工程桩。

东站站房地质条件较差, 地面下0~15m为一套钱塘江晚期沉积的粉土、粉砂土层;15~42.00m为一套海进时期沉积的饱和软土层;42.00~51.00m为一套河流相沉积的粗颗粒圆砾层, 其中圆砾层顶部有厚约1.5m细砂 (局部分布) , 其下为一套中生界侏罗系凝灰岩。

该地区临近周边城市河道, 上部粉砂土透水性好, 地下水位高, 多年最高地下水位埋深0.5~1.0m, 对桩基成孔不利。

杭州东站站房为高铁站房, 又为既有火车站改造工程, 原址是老杭州东站, 施工前需拆除既有车站, 并且由于地铁线路横穿整个站房, 因此桩基施工面临以下几个难点问题。

高铁站房地基基础设计标准高, 沉降控制严格, 而1.5m直径的国铁桩, 是桥建合一的站房结构主要桩基受力构件, 既承担上部主体结构荷载, 还需承担列车运行荷载, 对成桩工艺控制和质量要求严格。

既有车站拆除后, 原铁路路基的松散堆叠块石路基填料 (A料) 厚度达到3m, 且老站房下部存在较多障碍物, 如预制方桩、条形基础、地道等地下构筑物。

既有车站拆除后, 仍需保留2条原车场范围的既有铁路线, 该线路为沪昆正线, 24h不间断运营, 站房施工组织始终需伴随该线路的转线和转场, 并防护线路的安全。国铁桩施工临近既有铁路线最小距离为11.5m (见图1) 。

站房结构底板下的地铁结构横穿站房, 与站房结构发生关系的区域长度为480m, 沿线站房基础承台均紧临地铁结构。其中站房东侧底板下有地铁东站站厅, 长度为240m, 约占站房总长一半, 开挖深度为27m, 采用地下连续墙结合混凝土内支撑支护体系, 站房桩基进场前已进行开挖施工, 站房国铁桩中心距离地下连续墙仅2.7m和5m。

站房西侧底板下有地铁4号线区间段和1号线盾构线路, 其中4号线区间段为箱涵结构, 采用地下连续墙支护, 盖挖逆作法施工。站房国铁桩中心距离地下连续墙只有1m和1.5m。站房与地铁结构关系 (局部) 如图2所示。

本工程桩基施工工艺选择和设备选型主要考虑3个方面因素: (1) 地质条件桩基成孔主要面对3种类型土, 首先是40m左右的软土层, 之下是10m左右的圆砾层, 最后是桩基以中风化安山玢岩作为持力层, 基岩强度约为28~116MPa; (2) 桩基直径较大国铁桩均为1.5m直径; (3) 工期因素和场地因素。根据以上边界条件, 对该类桩施工进行对比分析如表1所示。

根据以上对比可知, 回转钻机对大直径嵌岩工程桩施工较困难, 特别是进入基岩以后, 桩径过大, 则进尺十分缓慢。因此其较适合1.2m以下直径的桩型, 本工程其余1.2m以下工程桩均采用最常见的回转钻机施工。旋挖钻机在软土层工效较高, 卵石层钻进虽有一定难度, 但仍可实施, 但针对高强度基岩无能为力。冲击钻机虽然工效较低, 但施工能力和质量控制较优秀。

从工期角度考虑, 为发挥各类钻机优势, 工程曾采用旋挖钻机开挖软土层和卵石层, 后采用冲击钻机进行基岩成孔的方法, 但实际施工中发现, 单桩施工周期未见缩短, 主要由于受到场地限制, 旋挖钻机、挖土机和运土车辆配合工效降低, 1个承台无法布置2套以上设备同时施工。并且受到桩机移位、调整等影响, 又造成工期延长。更换成孔方式后, 上部软土和卵石未经长时间冲击压密, 反而容易塌孔, 因此最终仍采用冲击成孔的工艺, 桩机为乌卡斯冲锤桩作业, 锤头质量为6t。

常规墩台为8~10根桩, 根据墩台尺寸和桩间距, 配置2台桩机同时作业, 考虑作业面限制, 其中1号桩机负责6根桩施工, 2号桩机负责4根桩施工。单桩成桩周期为6~7d, 其中软土和圆砾成孔约需3d, 基岩日进尺约1m, 入岩至终孔需3~4d。

既有杭州东站站建造时属于临时建筑, 并且年代久远, 设计图纸已经无法找全, 只有部分建筑有下部桩基和基础设计图纸, 其余只能根据当年施工人员和维修管理人员口述了解结构形式。据此, 清障处理分为2步实施, 首先仔细研究已有图纸, 对原结构工程桩采用全套管全回转拔桩工艺进行大面积清除。随后先进行土方大面积卸土开挖, 开挖深度为直至清理完全部路基块石填料及露出所有已有构筑物基础为止, 再根据已有地下构筑物与待建工程的关系进行必要的破除和清障工作, 而桩基施工也全部由自然地面施工改为在基坑内进行作业。

杭州东站共有6个墩台、60根大直径国铁桩属于临近既有线作业, 其中距离线路中心最小距离为11.5m。施工过程中需做好以下几点安全卡控措施。

1) 机械设备安全由于冲锤桩机较矮, 因此桩基倾覆不影响既有线行车安全。但进行钢筋笼吊运时需注意起重机站位, 确保倾覆方向远离铁路线。钢筋笼吊运就位时必须设置与铁路线反向的缆风绳, 避免钢筋笼倒伏入铁路线。

2) 铁路路基安全该场地下部有较厚的淤泥层和卵石层, 其自身整体性较差, 在冲孔施工的外力作用下, 若泥浆质量不过关, 会造成该部分土层的孔壁不稳定, 易发生塌孔情况。列车通过的振动和多台冲锤桩同时施工的振动容易造成和加剧上部30m厚的软土压缩变形和粉砂土的液化, 并导致软土失去支撑而加速变形缩孔, 甚至发生塌孔。而塌孔情况的发生容易造成路基沉降超标, 影响线路安全。

针对临近既有铁路线的大直径桩基施工, 本工程选用了适当加大钻头直径 (一般加大3~5cm) , 保持孔内水压, 使用4m深护筒, 配置优质泥浆等措施, 采用冲击正循环施工, 小冲程开孔、重锤低放等工艺来保证成孔质量, 同时加快清孔后的下放钢筋笼和混凝土灌注速度, 避免桩孔长时间暴露。

地铁东侧站厅结构宽度为50m, 共有2层, 基坑面即为站房底板底, 向下挖深17m, 并采用地下连续墙内支撑支护, 第1, 2道为混凝土支撑, 剩下3道为钢支撑。站房大直径冲孔灌注桩施工过程对土体有较大的挤压力, 并且大量冲锤桩同时作业造成的振动感十分强烈, 若在地铁开挖过程中进行地下连续墙外的国铁桩冲击成孔施工, 对地铁基坑围护体系必然存在一定的影响, 而这种影响将随着地铁的挖深而加大, 乃至导致其钢支撑体系失稳。

为保证地铁施工过程的安全, 经多次研究论证, 确定站房冲击成孔的大直径国铁桩让位于地铁施工需要, 待地铁施工至中板结构后, 上部剩余2道混凝土支撑, 此时站房可进场施工国铁桩, 但需控制施工设备作业数量, 每个墩台只能布置1台桩基进行作业, 并加强了支撑体系的监控措施。

杭州东站由于桩基工程量巨大, 并且受到各类外部环境和边界条件影响, 施工难度极大, 工程通过一系列措施和手段, 保证了桩基施工过程的安全有序、质量受控和进度合理。混凝土充盈系数控制到位, 桩基各类检测符合国家验收标准。通过对桩孔旁既有铁路路基的沉降观测, 未发现既有路基有沉降现象, 地铁围护体系变形和内力在国铁桩进场施工后也未超出设计允许安全值。